CN103403339A

CN103403339A - 喷射装置

Info

Publication number: CN103403339A
Application number: CN2011800690285A
Authority: CN
Inventors: 福山雅久; 石黑剑二; 村田直宏
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Kanadevia Corp
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2031-12-05
Also published as: US20130340710A1; JP2012202259A; KR20140010966A; WO2012127743A1; JP5833326B2; EP2690280A4; EP2690280A1; EP2690280B1; CN103403339B

Abstract

本发明提供一种喷射装置。喷射装置（6）包括：容器（62）；液氨供给部（69），向容器（62）内供给规定量的液氨；压缩部（65），连接于容器（62），将压缩用的空间内填充的气体压缩并将压缩气体导入容器（62）内；以及喷嘴（66），连接于容器（62），将通过向容器（62）内导入压缩气体而从容器（62）压出的氨导入燃烧室内。喷射装置（6）通过利用压缩成高温的气体向燃烧室内喷射氨，能够容易使氨在燃烧室内发生燃烧。

Description

喷射装置

技术领域

本发明涉及向发动机的燃烧室内喷射氨以在燃烧室内产生燃烧的喷射装置。

背景技术

以往，公开有使氨气燃烧的发动机，例如日本专利公开公报特开平5-332152号（文献1）公开了以下方法：利用来自燃烧室的排气的热量将氨气分解为氢和氮，并且使上述氢气初期燃烧从而使另外供给至燃烧室内的氨气燃烧。文献1的方法实现了使不容易自燃的氨气（常压下的自燃温度为651℃）有效燃烧。

但是，文献1的方法需要将氨气分解为氢和氮的氨分解反应器和氢吸附装置等，发动机的结构变得复杂。因此，在以氨为燃料的发动机中，需要在燃烧室内容易发生燃烧的新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种喷射装置，向发动机的燃烧室内喷射氨并在燃烧室内产生燃烧时，使氨容易在燃烧室内发生燃烧。

本发明的喷射装置包括：容器；液氨供给部，向所述容器内供给规定量的液氨；压缩部，连接于所述容器，对压缩用的空间内填充的气体进行压缩并将压缩气体导入所述容器内；以及喷嘴，连接于所述容器，将通过向所述容器内导入所述压缩气体而从所述容器压出的氨导向所述燃烧室内。

按照本发明，通过利用因压缩而成为高温的气体向燃烧室内喷射氨，可以使氨容易在燃烧室内发生燃烧。

优选的是，所述气体含氧，更优选的是，所述气体为氧气，或者所述气体为从所述燃烧室排出的排气。

在本发明的一个优选方式中，喷射装置还包括加热所述气体的加热部，由此可以使压缩气体进一步成为高温。此时，优选所述加热部中使用从所述燃烧室排出的排气来加热所述气体，由此可以提高发动机的能效。

参照附图并根据以下的本发明的详细说明，可以清楚地知道本发明的上述目的和其他目的、特征、方式以及优点。

附图说明

图1是表示二冲程发动机的结构的图。

图2是表示喷射装置的结构的图。

图3是表示二冲程发动机的其他示例的图。

图4是表示二冲程发动机的另一示例的图。

附图标记说明

1 二冲程发动机

6、6a、6b 喷射装置

20 燃烧室

62 容器

65 压缩部

66 喷嘴

68 加热部

69 液氨供给部

具体实施方式

图1是表示本发明一个实施方式的二冲程发动机1的结构的图。二冲程发动机1为船舶用的内燃机，以氨（NH₃）为燃料。二冲程发动机1具备缸2和设置在缸2内的活塞3，活塞3能在图1中的上下方向移动。另外，图1的上下方向不限于重力方向。

缸2具有圆筒状的缸套21和安装在缸套21上部的缸盖22。活塞3包括：插入缸套21的厚圆板状的活塞头31，以及一端连接于活塞头31下表面的活塞杆32。活塞杆32的另一端连接于省略图示的曲柄机构。

二冲程发动机1中，由缸套21、缸盖22、排气阀25（后述）以及活塞头31的上表面（即活塞3的上表面）包围的空间，是用于燃烧氨和空气的燃烧室20。缸盖22上设有向燃烧室20供给燃料的喷射装置6。本实施方式中使用液氨作为燃料。喷射装置6的结构后述。

在缸套21的下端部附近呈圆周状排列有多个通孔，这些通孔的集合为向燃烧室20内供给后述的扫气的扫气口23。扫气口23的周围设有扫气室231，扫气口23借助扫气室231与扫气管41连通。

在缸盖22上形成有将燃烧室20内的气体向燃烧室20外排出的排气口24，排气口24设有用于开闭排气口24的排气阀25。从燃烧室20借助排气口24排出的气体（以下称为“排气”），通过第一排气通道241被导向排气管42。实际的二冲程发动机1中并列设有多个缸2，多个缸2与一个扫气管41和一个排气管42连接。

二冲程发动机1还具备作为涡轮增压器的增压器5，以及利用海水等制冷剂对来自增压器5的空气进行冷却的空气冷却器43。增压器5具备涡轮51和压缩机52，涡轮51利用借助第二排气通道811从排气管42送入的排气而旋转。压缩机52利用涡轮51产生的旋转力（即，以涡轮51的旋转为动力），对从二冲程发动机1的外部经过吸气通道82取入的吸气（空气）进行加压并压缩。加压后的空气（以下称为“扫气”）经由空气冷却器43冷却后，供给至扫气管41内。如此，增压器5利用排气对吸气进行加压，生成扫气。

利用涡轮51的旋转的排气通过第三排气通道812，并借助用于还原氮氧化物（NO_X）的还原催化剂7，向二冲程发动机1的外部排出。如上所述，二冲程发动机1的燃料为氨，燃料不含硫成分。因此，排气不用经洗涤器除去硫成分而向外部排出。这样，可以简化具备二冲程发动机1的船舶的结构。

图2是表示喷射装置6的结构的图。喷射装置6具备装置主体61和液氨供给部69。在二冲程发动机1中，针对多个缸2分别设置装置主体61，一个液氨供给部69与多个装置主体61连接。因此，分别设置于多个缸2的多个喷射装置6共有一个液氨供给部69。

装置主体61具有容器62，容器62连接于氨供给通道692的一端。氨供给通道692的另一端与液氨供给部69的液氨容器691连接。氨供给通道692上设有供给泵693和供给阀694，通过打开供给阀694，从液氨容器691向容器62内供给规定量的液氨。如上所述，由于一个液氨供给部69被多个喷射装置6共有，所以实际上从液氨容器691伸出的氨供给通道692分路为多个分路流道并分别连接于多个装置主体61的容器62。另外，供给泵693设置在液氨容器691与分路点之间，供给阀694设置在各分路流道上。这样，能够仅利用一个供给泵693向多个装置主体61供给液氨，并且可以通过控制供给阀694，在多个装置主体61中以独立的时机供给液氨。

喷射装置6还具备加热部68，所述加热部68从二冲程发动机1的外部取入空气并对所述空气（如后所述，为将燃料向燃烧室20引导的气体，以下称为“辅助气体”）进行加热。加热部68的内部包含图1的第三排气通道812的一部分，利用从涡轮51排出的排气的热量加热辅助气体。另外，加热部68也由多个喷射装置6共有。

各装置主体61具备作为柱塞泵（或活塞泵）的压缩部主体63，压缩部主体63具有泵缸632和泵活塞631。泵活塞631利用省略图示的凸轮机构，对应于曲柄机构的曲柄角而在泵缸632的轴向移动。此外，泵缸632的前端（图2中的下侧的前端）设有排出通道633。

在泵缸632中，从加热部68伸出的辅助气体供给通道681的一端连接在排出通道633的附近，还在辅助气体供给通道681上设有用于防止泵缸632内的辅助气体返回加热部68的逆止阀（省略图示）。此外，排出通道633的前端与后述的喷射压控制阀64连接，喷射压控制阀64用于防止从排出通道633排出的辅助气体返回泵缸632内。因此，压缩部主体63通过使泵活塞631向离开排出通道633的方向（图2中的上侧）移动，向泵缸632内填充加热部68内的辅助气体。此外，通过使泵活塞631向排出通道633移动，如后所述使泵缸632内的辅助气体从排出通道633排出。另外，泵缸632的容积充分大于从排出通道633经由容器62至后述的喷嘴66的流道的容积。

喷射压控制阀64具有壳体641，排出通道633的前端配置在壳体641内。在壳体641内，排出通道633的开口上设有阀体642，通过由加力部643将阀体642按压在排出通道633的开口上，来封闭所述开口。

在装置主体61中，当泵活塞631刚刚从图2中实线所示的位置开始向排出通道633移动后，由于排出通道633的开口被封闭，所以泵缸632内的辅助气体的压力和温度逐渐增大。并且，当辅助气体推压阀体642的力大于通过加力部643使阀体642封闭所述开口的力时，排出通道633的开口开放。这样，被压缩的辅助气体（以下简称为“压缩气体”）从所述开口排出。壳体641上设有连接于容器62的连通通道645，压缩气体借助连通通道645被导入容器62内。这样，喷射装置6的压缩部主体63和喷射压控制阀64成为压缩部65，所述压缩部65对作为压缩用的空间的泵缸632内填充的辅助气体进行压缩并将压缩气体导入容器62内。另外，加力部643的作用力可以通过调节部644调节，这样也可以改变导入容器62内的压缩气体的压力。

如上所述，从液氨容器691向容器62内供给液氨。此外，容器62的上部（比液氨的液面靠向上方）与喷嘴66连接。当压缩气体被导入容器62内时，氨供给通道692的供给阀694关闭，除了连接了喷嘴66和连通通道645的部位，容器62成为密闭状态。因此，利用向容器62内的压缩气体的导入，容器62内的液氨被压出，并与压缩气体一起借助喷嘴66被喷射到燃烧室20内。另外，从喷嘴66喷射的氨成为包含液状（含液滴）和气体状的氨的状态（气液混合状态）。

接着，说明二冲程发动机1的动作。在二冲程发动机1中，图1中双点划线所示的活塞3的位置为上止点，实线所示的活塞3的位置为下止点。当活塞3位于上止点附近时，如图1中双点划线所示，排气阀25上升而关闭排气口24，燃烧室20内的扫气被压缩。

在图2的喷射装置6中，通过与活塞3的动作同步使泵活塞631向排出通道633移动，高温且高压的压缩气体被导入容器62内，容器62内的氨与压缩气体一起借助喷嘴66被喷射到图1的燃烧室20内。在燃烧室20内，高温的压缩气体促进了汽化的氨的自燃，燃烧室20内的气体（即，氨气、压缩气体和扫气）发生燃烧（爆炸）。这样，活塞3被压向下方，向下止点移动。另外，也可以从喷嘴66向燃烧室20内喷射已点燃状态的氨。

在图2的喷射装置6中，从氨喷射后、直到活塞3逐渐到达上止点附近为止，由液氨供给部69向容器62内供给规定量（在本实施方式中为一次喷射所需要的量，作为对应于二冲程发动机1的输出的量而可变）的液氨。此外，通过使泵活塞631向离开排出通道633的方向移动，向泵缸632内填充加热部68内的辅助气体。

图1的二冲程发动机1中，在燃烧室20内的气体燃烧后、直到活塞3到达下止点之前，通过排气阀25下降来打开排气口24。这样，燃烧室20内的燃烧完毕的气体开始排出。从燃烧室20排出的气体（即排气）如上所述，借助第一排气通道241、排气管42和第二排气通道811被送入增压器5的涡轮51。通过涡轮51后的排气被用于加热部68中辅助气体的加热。通过了加热部68的排气再通过还原催化剂7，并向二冲程发动机1的外部排出。另外，二冲程发动机1利用曲柄机构的曲柄轴上连接的凸轮机构，进行排气阀25的上升和下降（排气口24的开闭）。

当活塞3移动到下止点附近、活塞头31的上表面位于扫气口23的下方时，燃烧室20与扫气室231连通（即扫气口23打开），开始向燃烧室20内供给扫气室231内的扫气。活塞3通过了下止点后，转为上升，通过使活塞头31的上表面到达扫气口23的上方，扫气口23被关闭，停止向燃烧室20内供给扫气。接着，排气口24被排气阀25封闭，燃烧室20被密闭。

当活塞3进一步上升、燃烧室20内的扫气被压缩，活塞3到达上止点附近时，氨与压缩气体一起从喷射装置6向燃烧室20内喷射，并在燃烧室20内发生燃烧。二冲程发动机1中重复进行上述动作。

可是，也可以考虑使用火花塞等在燃烧室20内进行氨的燃烧，但是火花塞为消耗品，在除了港口以外发动机原则上不停止的船舶用的内燃机中，不希望使用火花塞。此外，也可以考虑使用氢气等引燃燃料，在燃烧室20内进行氨的燃烧，但是由于需要分别针对液氨和引燃燃料设置容器和喷射机构，会使发动机的结构变得复杂。

对此，在图2的喷射装置6的压缩部65中，压缩用的空间内填充的气体被压缩，且压缩气体被导入保持液氨的容器62内。并且，因压缩气体的导入而从容器62压出的氨，与压缩气体一起借助喷嘴66被导入燃烧室20内。这样，喷射装置6中通过利用因压缩而成为高温的气体向燃烧室20内喷射氨，使氨容易在燃烧室20内发生燃烧。另外，由于喷射装置6通过一个压缩部65向燃烧室20内喷射氨和辅助气体，所以不会使发动机的结构复杂化。

此外，喷射装置6通过具备加热辅助气体的加热部68，能使压缩气体进一步升温，可以进一步确保燃烧室20内的含氨的气体燃烧。另外，加热部68通过使用从燃烧室20排出的排气对辅助气体进行加热，可以提高二冲程发动机1的能效。

此处，假设利用柱塞泵向燃烧室20内直接喷射液氨时，即向图2的压缩部主体63的泵缸632内填充液氨，并从排出通道633直接向燃烧室20内喷射氨时，如果气体混入泵缸632内，则当压入泵活塞631时，因所述气体的压缩对泵缸632内的液氨的加压变得不充分，会发生不能向燃烧室20内适当喷射氨的现象（气阻现象）。特别是以液氨为燃料的情况下，向泵缸632内填充液氨时，液氨汽化而向泵缸632内混入气体的可能性变高。

对此，在压缩部65中压缩辅助气体的喷射装置6中，由于压缩对象为气体，所以不会发生气阻现象，能可靠地向燃烧室20内喷射氨。

图3是表示二冲程发动机1的其他示例的图。图3的喷射装置6a中，省略了图1的喷射装置6的加热部68，重新设有将第三排气通道812内的排气的一部分向装置主体61引导的辅助流道682。其他的结构与图1的二冲程发动机1相同，对相同的结构标注了相同的附图标记。

在喷射装置6a中，通过了涡轮51内的高温的排气作为辅助气体，借助辅助流道682填充到图2的泵缸632内。并且，压缩部65将泵缸632内的辅助气体压缩并将压缩气体导入容器62内，从而从容器62压出的氨与压缩气体一起喷射到燃烧室20内。这样，将从燃烧室20排出的排气用作辅助气体的喷射装置6a，可以将压缩气体进一步转为高温且高压，能够使燃烧室20内的含氨的气体容易且更可靠地燃烧。

图4是表示二冲程发动机1的另一例的图。图4的喷射装置6b省略了图1的喷射装置6的加热部68，重新设有连接于装置主体61的氧容器67。其他的结构与图1的二冲程发动机1相同，对相同的结构标注了相同的附图标记。

在喷射装置6b中，从氧容器67供给的氧气作为辅助气体，填充到图2的泵缸632内。并且，压缩部65将泵缸632内的辅助气体压缩并将压缩气体导入容器62内，从而从容器62压出的氨与压缩气体一起喷射到燃烧室20内。这样，在将氧气用作辅助气体的喷射装置6a中，能利用高温且高压的氧气促进氨的自燃，可以使燃烧室20内的含氨的气体容易且更可靠地燃烧。另外，也可以在图4的喷射装置6b中设置加热部68，利用将加热的氧气压缩后的压缩气体来喷射氨。

以上，说明了本发明的实施方式，但本发明不限于上述实施方式，可以进行各种变形。

上述喷射装置6、6a、6b中，利用将含氧的辅助气体压缩后的压缩气体，向燃烧室20内喷射氨，从而使燃烧室20内的氨气容易燃烧，但是也可以根据二冲程发动机1的设计，使用不含氧的辅助气体（例如氨气）。此时，也是通过利用压缩成为高温的压缩气体向燃烧室20内喷射氨，使燃烧室20内容易发生燃烧。此外，也可以向容器62内供给在液氨中混合有石油燃料等的燃料，并喷射到燃烧室20内。

在喷射装置6、6a、6b中，压缩部65也可以具有其他的往复泵（例如隔膜泵和波纹管泵）等。即，可以通过各种方式实现将压缩用的空间内填充的气体压缩并将压缩气体导入容器62内的压缩部65。此外，也可以通过在加热部68中设置加热器，不使用排气就可以进行辅助气体的加热。

上述实施方式中的喷射装置6、6a、6b也可以应用于四冲程发动机。此外，具有喷射装置6、6a、6b的发动机除了应用于船舶以外，还可以应用于汽车和发电用的原动机等各种用途。

在相互不发生矛盾的前提下，可以适当组合上述实施方式和各变形例中的结构。

以上具体说明了本发明，但上述的说明为例示性说明而不是限定性说明。因此，可以在不脱离本发明的范围内进行多种变形和实施。

Claims

1.一种喷射装置，通过向发动机的燃烧室内喷射氨，在所述燃烧室内产生燃烧，所述喷射装置的特征在于包括：

容器；

液氨供给部，向所述容器内供给规定量的液氨；

压缩部，连接于所述容器，对压缩用的空间内填充的气体进行压缩并将压缩气体导入所述容器内；以及

喷嘴，连接于所述容器，将通过向所述容器内导入所述压缩气体而从所述容器压出的氨导向所述燃烧室内。

2.根据权利要求1所述的喷射装置，其特征在于，所述气体含氧。

3.根据权利要求2所述的喷射装置，其特征在于，所述气体为氧气。

4.根据权利要求2所述的喷射装置，其特征在于，所述气体为从所述燃烧室排出的排气。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的喷射装置，其特征在于，还包括加热所述气体的加热部。

6.根据权利要求5所述的喷射装置，其特征在于，在所述加热部中使用从所述燃烧室排出的排气来加热所述气体。